Физика взаимодействия бета-излучения с веществом
Бета-излучение представляет собой поток заряженных частиц, возникающих при бета-распаде нестабильных ядер. Различают два типа бета-частиц:
Бета-частицы имеют массу, порядка в 1836 раз меньшую массы нуклона, и несут электрический заряд (отрицательный у β⁻, положительный у β⁺). Они обладают энергиями от десятков кэВ до нескольких МэВ и распространяются со скоростями, близкими к скорости света.
Проходя через вещество, бета-частицы теряют энергию главным образом в результате следующих процессов:
Наиболее существенный механизм торможения. Заряженная бета-частица взаимодействует с электронами атомов среды, передавая им часть своей энергии. В результате:
Эти процессы приводят к потере кинетической энергии бета-частицы и к появлению ионов и возбужденных атомов в веществе.
При прохождении сквозь вещество заряженная бета-частица ускоряется в кулоновском поле атомных ядер, что вызывает испускание электромагнитного излучения. Эта потеря энергии становится особенно значимой при высоких энергиях частиц и в веществах с большим атомным номером Z.
Мощность тормозного излучения пропорциональна Z2 и квадрату энергии частицы. Таким образом, в тяжёлых материалах (например, свинце) и при энергии β-частиц более нескольких МэВ доля энергии, теряемой на тормозное излучение, становится значительной.
Из-за вероятностного характера процессов взаимодействия, бета-частицы не обладают строго определённым пробегом, в отличие от α-частиц. Их траектория в веществе искривляется многократными рассеяниями, напоминая беспорядочное блуждание (диффузионное поведение).
Диапазон бета-излучения — это максимальная глубина проникновения частиц в вещество, соответствующая частицам с наибольшей энергией в спектре. Обычно диапазон указывается в сантиметрах или в г/см². Он зависит от:
Примерные значения диапазона в воздухе:
В более плотных веществах диапазон значительно меньше: в алюминии — несколько миллиметров, в свинце — доли миллиметра.
Для приближённой оценки максимального пробега R β-частиц в веществах используют эмпирические формулы. Для воздуха, например:
Rmax(в см) ≈ 0, 412 ⋅ E1, 265 − 0, 0954 (E — энергия в МэВ)
Из-за малого веса бета-частиц они легко отклоняются при столкновениях с электронами и ядрами среды. Это приводит к множественному рассеянию, и траектории движения становятся сильно изогнутыми. Вследствие этого невозможно точно предсказать путь отдельной частицы, а для анализа используют вероятностные и статистические методы.
Распределение частиц по глубине облучённого слоя имеет максимум на определённой глубине, называемой глубиной максимального дозового отложения. Далее интенсивность падает до нуля на глубине, соответствующей диапазону частиц.
В отличие от моноэнергетических α-частиц, бета-частицы испускаются с непрерывным спектром энергий, от нуля до некоторого максимального значения Emax. Это связано с тем, что при бета-распаде энергия распределяется между тремя частицами: бета-частицей, антинейтрино (или нейтрино) и дочерним ядром. Следствием этого является:
В спектре тормозного излучения, сопровождающего бета-распад, также наблюдается непрерывность, что отличает его от характеристического рентгеновского спектра.
Поскольку бета-частицы сравнительно легко тормозятся, для защиты достаточно слоёв вещества толщиной в миллиметры или даже доли миллиметра. Однако при этом возникает вторичное излучение:
При торможении бета-частиц в тяжёлых материалах (свинец, вольфрам) выделяется значительное количество рентгеновского излучения. Это требует дополнительной защиты от вторичных фотонов, так как их проникающая способность выше.
Бета-частицы могут рассеиваться назад из материала экрана. Это особенно важно учитывать при проектировании дозиметрических приборов и защитных кожухов. Чтобы уменьшить этот эффект, используют многослойные экраны: внутренний слой из лёгкого материала (например, пластик), внешний — из тяжёлого (например, свинец).
Бета-частицы, из-за своей ограниченной проникающей способности, в первую очередь опасны при внутреннем облучении: при вдыхании или попадании радиоактивных веществ в организм. При внешнем облучении они повреждают главным образом поверхностные ткани (кожу, роговицу).
При расчётах дозы облучения учитывают:
Для дозиметрии бета-излучения применяются специальные счётчики:
Позитроны, являясь античастицами электронов, теряют энергию теми же механизмами, что и β⁻-частицы. Однако по достижении конечной стадии пробега они аннигилируют, взаимодействуя с электронами среды. При этом высвобождается два гамма-кванта по 511 кэВ каждый, распространяющиеся в противоположных направлениях. Это аннигиляционное излучение используется, например, в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).
Понимание характера прохождения бета-излучения через вещество имеет ключевое значение для ядерной физики, медицинской диагностики, радиационной безопасности и прикладных технологий.